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2016.07.19

「智慧型氣體感測晶片」下世代奈米元件關鍵技術與創新應用

2014年7月31日晚間,高雄發生丙烯氣爆意外,造成32人死亡、321人受傷,多條重要道路嚴重損壞。如果爆炸現場附近有夠多的氣體感測器,第一時間測知具高危險性的揮發性有機物大量外洩,也許就可以阻止慘劇發生。目前市面上的氣體感測器,體積都很大,只能安裝在固定位置,或是手持偵測。在高雄氣爆發生後,國家實驗研究院奈米元件實驗室(奈米中心)開始研究可以直接安裝在智慧型手機或手錶中的「智慧型氣體感測晶片」,與固定式環境感測器互補,讓人人皆可隨身攜帶,大幅提高感測範圍,加強保障生命財產安全。經過近兩年的努力,目前已經領先全球,開發出揮發性有機化合物、一氧化碳、二氧化碳、甲醛等四種氣體的感測晶片。



(圖一) 國研院奈米中心研發之「智慧型氣體感測晶片」。左起:封裝前的氣體感測晶片約針孔大;封裝前的氣體感測晶片比一粒芝麻還小;封裝後的氣體感測晶片約3毫米x 2.35毫米x 1毫米。

現有氣體感測器產品功能不足

根據國際數據資訊公司(IDC)研究估計,全球物聯網(Internet of things, IoT)市場規模在2020年將可達1.7兆美元,而穿戴式及攜帶式產品是其中很重要的產品。在穿戴式及攜帶式產品上安裝的感測器中,用於呼吸分析(如酒測)與空氣污染用的氣體感測器,則被預測為最有可能的應用之一。法國市調機構Yole Development預估,2021年氣體感測器的使用量會從2014年的120萬個,增加到3億5000萬個,成長約300倍,產值將超過20億美元。

為準確偵測氣體流量與種類,目前市面上的氣體感測器體積都偏大。近幾年出現的半導體氣體感測器雛形,大小雖可縮小到1公分以下,但對於攜帶式(如智慧型手機)或穿戴式(如智慧型手錶)產品而言,仍嫌太大,且無法和智慧型手機或手錶的晶片整合,又有耗電量大、無法精準辨識氣體的缺點。

國研院開發「智慧型氣體感測晶片」 人人皆可隨身攜帶

國研院奈米中心運用過去累積的微機電製程經驗,與光寶科技光機電整合技術合作,花費近2年時間,開發出可應用於環境的物聯網晶片「智慧型氣體感測晶片」。

(圖二) 國研院奈米中心和光寶科技合作的酒精感測鑰匙圈。

「智慧型氣體感測晶片」是以「金屬氧化物半導體材料」作為氣體感測薄膜,透過不同金屬氧化物與氣體在特定高溫下的氧化反應及還原反應,藉由感測薄膜與電子之間的抓放過程,改變薄膜的電阻,以偵測氣體種類與濃度。

「智慧型氣體感測晶片」有兩大技術特點:一、運用獨特的奈米粒子和奈米孔洞技術製作感測薄膜,不但可增加表面積,提高反應靈敏度;亦可藉由不同金屬奈米粒子的特性,感測特定氣體而提高專一辨識能力。二、開發出特殊之「低應力介電層」,可以提升隔熱效果,將感測薄膜所需之250℃高溫侷限於極小範圍內,如此可以縮減晶片體積,而不致讓此高溫對不耐高溫之部分造成損壞。

藉由這兩項技術特點,國研院奈米中心開發出體積僅3毫米x 2.35毫米x 1毫米的「智慧型氣體感測晶片」,具有微型化、低耗能、可整合於智慧型手機或手錶、可精準辨識氣體等優點,讓「人人隨身攜帶氣體感測器」成為可能。

(圖三) 國研院奈米中心運用獨特之半導體奈米技術,開發出體積僅3毫米x 2.35毫米x 1毫米的「智慧型氣體感測晶片」,可精準辨識氣體,讓「人人隨身攜帶氣體感測器」成為可能。

避免高雄氣爆事件再度發生 推動國內感測技術發展

國研院奈米中心已創全球業界之先,成功製作出可直接安裝於智慧型手機的氣體感測晶片。如此一來,即可從現有針對空間環境進行偵測的技術,進化至以「人」為中心的環境監測模式。若未來所有氣體感測器的資料均即時上傳雲端,政府相關單位可即時監測各地環境品質,萬一又發生了像丙烯這種揮發性有機化合物的外洩事件,警消或環保單位即可提早警覺、立即處理,也許就可以避免類似高雄氣爆的事件再度發生,或至少可大幅降低傷亡人數。

近年來個人物聯網或穿戴式裝置使用的各式感測器,已逐漸應用於消費性電子、智慧住宅、保全監控、健康照護、交通運輸、百貨零售,以及警急救難等領域。國研院奈米中心已成功開發出一氧化碳、二氧化碳、甲醛及揮發性有機化合物的「智慧型氣體感測晶片」,未來除持續開發更多類型的氣體感測晶片外,並將進一步推進到工業級及人體照護級的複合式氣體感測需求。

國研院奈米中心並將建置一開放式製程技術服務平台,讓國內產學研究團隊可以進行物聯網晶片所需之系統整合工作,以繼續協助推動國內物聯網穿戴式產品與生產力4.0所需之感測技術發展。

 

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